Questão 2: Defina:
(a) Sistema termodinâmico e volume de controle;
(a) Sistema termodinâmico e volume de controle;
Passo 1
O enunciado pede que eu defina duas coisas:
- (a)
Sistema termodinâmico : — quero a definição clara do que é. - (a)
Volume de controle : — quero a definição clara do que é.
Não há dados numéricos nem figura: só preciso fornecer definições e explicações didáticas para cada termo.
Passo 2
Definição elementar e ideia-chave do que é um sistema termodinâmico.
Um sistema termodinâmico
) é uma porção de matéria ou uma região do espaço que eu escolho imaginar separada do restante do universo por uma superfície (real ou imaginária) chamada de fronteira. A ideia é: eu marco “isso aqui” como objeto de estudo e analiso trocas de energia e (às vezes) massa entre esse “isso aqui” e o resto.
Um
Explicando com calma:
- Fronteira: pode ser física (paredes de um recipiente) ou imaginária (um contorno desenhado). A fronteira delimita o que pertence ao sistema e o que pertence ao entorno.
- O que posso trocar através da fronteira:
- Energia (na forma de calor
ou trabalho ). - Massa (dependendo do tipo de sistema; ver a seguir).
- Energia (na forma de calor
- Tipos importantes (para reconhecer em provas):
- Sistema isolado: não troca nem massa nem energia com o entorno.
- Sistema fechado (ou massa de controle): não troca massa com o entorno, mas pode trocar energia. Nesse caso a massa do sistema é constante: ).
- Sistema aberto (quando se usa o termo de forma coloquial pode haver confusão): normalmente, em termodinâmica clássica, quando dizemos “sistema aberto” queremos dizer que massa pode atravessar a fronteira — mas na prática para fluxo usa-se mais o conceito de volume de controle (próximo passo).
Exemplo concreto (para fixar):
- Um gás confinado num pistão com tampa fechada: se eu “pego” exatamente aquela massa de gás e acompanho-a ao longo do tempo, isso é um sistema (fechado se a tampa não deixa massa sair). Posso ter trabalho do pistão sobre o gás e calor trocado através das paredes.
Passo 3
Definição elementar e ideia-chave do que é um volume de controle.
Um volume de controle
) é uma região do espaço, fixa ou móvel, escolhida para análise através da qual pode haver fluxo de massa. Em outras palavras, em vez de “acompanhar a mesma massa”, eu fixo uma região espacial e permito que fluido entre e saia por suas superfícies — essas superfícies são chamadas de superfície de controle.
Um
Explicando com calma:
- Volume de controle (CV): região espacial delimitada por uma superfície de controle (CS). O CV pode ser:
- Rígido (fixo no espaço).
- Com fronteira móvel (por exemplo, um volume que se expande), desde que eu consiga descrever a superfície.
- O que se observa no CV: balanços integrais (massa, momentum, energia) que incluem termos de fluxo através da superfície de controle.
- Fórmulas que aparecem nas provas (e o que significam):
- Balanço de massa em forma intuitiva:
onde m_{CV} é a massa dentro do volume de controle, e \dot m são vazões mássicas que entram e saem. - Expressão local/integral (forma mais geral usada em fluidos):
em que \rho é a densidade, \mathbf{v} é o vetor velocidade do fluido na superfície, \mathbf{n} é o vetor normal externo, CV é o volume e CS é a superfície de controle. Essa equação expressa conservação de massa para o CV.
- Balanço de massa em forma intuitiva:
- No balanço de energia para um CV é comum aparecer:
onde E_{CV} é a energia dentro do CV, \dot Q calor líquido por unidade de tempo, \dot W trabalho por unidade de tempo, e é a energia específica (soma de energia interna, cinética e potencial) associada às massas que entram e saem.
Exemplo concreto:
- Um turbocompressor ou bocal (nozzle): a região ocupada pelo dispositivo é naturalmente tratada como um volume de controle — fluido entra, sofre transformação e sai. Esse é o uso típico de CV.
Passo 4
Comparação prática (quando usar cada ideia na prova) e dica para reconhecer rapidamente.
Regra prática para prova (decora e use como checklist):
Regra prática para prova (decora e use como checklist):
- Se o enunciado fala em “acompanhe uma massa específica de fluido” ou se a massa que eu escolhi não troca com o entorno, trate o problema como um
sistema (frequentemente sistema fechado). Ex.: “uma massa de gás dentro de um êmbolo que se desloca”. - Se o enunciado descreve fluxo contínuo através de um componente (ex.: entrada e saída de um tubo, bomba, turbina, trocador), trate como
volume de controle . Aparecerão vazões \dot m ou áreas e velocidades . - Se há troca de massa significativa (entradas e saídas), CV é quase sempre a escolha mais simples.
- Se a fronteira é móvel (pistão), ainda posso escolher um sistema (acompanhar a massa) ou escolher um CV com fronteira móvel — escolha que simplifica contas. Explique sempre qual fronteira você está usando e por que.
Passo 5
Pequenos exemplos-pílula para fixar intuitivamente (faça mentalmente na prova).
- Reservatório fechado sendo aquecido: escolha natural = sistema fechado. Massa constante ). Use balanço de energia ).
- Tubulação com escoamento estacionário: escolha natural = volume de controle fixo que engloba um trecho da tubulação; use vazões
\dot m entrando e saindo e balanços integrais. - Pistão móvel contendo gás: você pode acompanhar a massa (sistema fechado) ou escolher o espaço entre as paredes do cilindro como CV com fronteira móvel; nas provas muitas vezes é mais direto usar o sistema fechado para aplicar ).
Passo 6
Dicas de redação na prova (como escrever a solução para impressionar o professor).
- Comece definindo claramente a fronteira que escolheu: “Escolho como sistema a massa de gás delimitada por …” ou “Escolho como volume de controle a região espacial … com superfície de controle …”.
- Declare se a massa é constante (
m=constante ) ou se há vazões ( \dot m\neq 0 ). - Escreva o balanço adequado (para sistema:
\Delta E_{sys}=Q-W ; para CV: escreva a forma integral com termos de entrada/saída). - Seja explícito sobre o sinal e o sentido dos fluxos (quem entra positivo, quem sai negativo, ou use o normal externo consistentemente).
Resposta
Sistema termodinâmico: Uma porção de matéria ou região do espaço delimitada por uma fronteira (real ou imaginária) escolhida para estudo, pela qual podem ocorrer trocas de energia e, dependendo do tipo, trocas de massa; se não troca massa é um sistema fechado (
).
Volume de controle: Uma região do espaço (fixa ou móvel) delimitada por uma superfície de controle, através da qual podem ocorrer fluxos de massa e energia; é a abordagem usada para analisar escoamentos, com balanços integrais que incluem termos de vazão mássica (
) através da superfície de controle.